電力負(fù)荷建模

1

華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)負(fù)荷建模2定義：電力系統(tǒng)電壓和頻率發(fā)生變化時電力負(fù)荷從電網(wǎng)取用的有功功率和無功功率的變化稱為負(fù)荷特性，依據(jù)這一特性建立的數(shù)學(xué)描述模型稱為負(fù)荷模型。分類：靜態(tài)模型：有功、無功與電壓、頻率的代數(shù)關(guān)系；動態(tài)模型：有功、無功與電壓、頻率的微分關(guān)系；負(fù)荷節(jié)點(diǎn)：負(fù)荷建模針對方式計算中定義的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。該節(jié)點(diǎn)包括負(fù)荷群及供電線路、變壓器、無功補(bǔ)償?shù)?。電力?fù)荷模型的基本概念3負(fù)荷建模的重要性負(fù)荷模型是電力系統(tǒng)仿真的基本環(huán)節(jié)，正確的模型對于潮流與穩(wěn)定計算至關(guān)重要；近年來大規(guī)模電力系統(tǒng)失穩(wěn)多為電壓失穩(wěn)，電壓失穩(wěn)與負(fù)荷特性關(guān)系尤為密切；電力市場化帶來的電力系統(tǒng)的新特征：電力系統(tǒng)越來越運(yùn)行在接近極限的狀態(tài)；電源開發(fā)與電網(wǎng)控制技術(shù)的發(fā)展：HVDC、FACTS技術(shù)應(yīng)用要求更為精確的負(fù)荷模型；資源、環(huán)境帶來負(fù)荷特性的新變化：新型負(fù)荷的出現(xiàn)，負(fù)荷的電力電子化，分布式電源的發(fā)展。4負(fù)荷建模的困難性電力負(fù)荷的隨機(jī)性；電力負(fù)荷的非線性；電力負(fù)荷的時變性；電力負(fù)荷的分散性；負(fù)荷建模遠(yuǎn)不及發(fā)電機(jī)、勵磁器、調(diào)速器等其他系統(tǒng)設(shè)備的建模完善5負(fù)荷建模的兩類方法總體測辨法：在電網(wǎng)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)安裝測試記錄裝置，對測試數(shù)據(jù)采用辨識算法進(jìn)行建模；統(tǒng)計綜合法：在對基本負(fù)荷特性進(jìn)行調(diào)研與測試，建立模型庫的基礎(chǔ)上，對電網(wǎng)的各個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷的成份、組成、分布進(jìn)行調(diào)查，依據(jù)綜合理論建立總體模型。6總體測辨法的特點(diǎn)采用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，在擾動激勵充分的條件下，可以得到當(dāng)時負(fù)荷的實(shí)際特性信息；采用辨識算法進(jìn)行建模，許多成熟的辨識方法可以利用，同時，一些新的具有強(qiáng)綜合能力的辨識算法可以采用。模型的建立取決于測試到的數(shù)據(jù)，而有效的測試數(shù)據(jù)必須是在欲建模型的負(fù)荷區(qū)域之外發(fā)生較大擾動情況下獲得的，因而，數(shù)據(jù)的獲得具有一定的隨機(jī)性和被動性，項(xiàng)目實(shí)施時間較長；負(fù)荷特性表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性，如低壓脫扣可使特定負(fù)荷從電網(wǎng)獲得的功率跳變?yōu)榱悖煌瑪_動反映不同的負(fù)荷特性；負(fù)荷特性又表現(xiàn)出很強(qiáng)的時變性，特別是無功特性與時段、負(fù)荷水平密切相關(guān)，應(yīng)將依據(jù)不同運(yùn)行方式下測得的數(shù)據(jù)，建立不同的負(fù)荷模型；通過測辨獲得信息，必須安裝測試與記錄裝置，項(xiàng)目需一定的投入，現(xiàn)場有一些安裝、調(diào)試與維護(hù)的工作量；7統(tǒng)計綜合法的特點(diǎn)典型負(fù)荷的全局特性數(shù)據(jù)充分，在此基礎(chǔ)上建立的負(fù)荷模型可反映大范圍的非線性特性；在負(fù)荷統(tǒng)計過程中應(yīng)獲取負(fù)荷的時段分布數(shù)據(jù)，將負(fù)荷水平與負(fù)荷特性相對應(yīng)，得到負(fù)荷的時變特性；無需安裝測辨裝置，項(xiàng)目投資少?？衫靡呀?jīng)安裝在變電站的其他數(shù)據(jù)記錄裝置，驗(yàn)證與修改統(tǒng)計綜合法得到的模型；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計方法獲得，項(xiàng)目實(shí)施時間易于控制。需通過大量調(diào)研與測試工作獲得典型負(fù)荷特性。由于同類負(fù)荷的分散性，典型負(fù)荷特性的確定必須通過大量實(shí)驗(yàn)及負(fù)荷機(jī)理分析來綜合；大量的現(xiàn)場調(diào)研工作。從穩(wěn)定計算所涉及的母線出發(fā)，向下游逐層統(tǒng)計負(fù)荷的構(gòu)成，以電力公司供電變電站到用戶的出線為基本單位統(tǒng)計負(fù)荷的類別、構(gòu)成、時段分布特征等。8總體測辨法與統(tǒng)計綜合法的結(jié)合

兩種方法在具體建模中相互借鑒，相互作用。利用已有記錄裝置的部分?jǐn)?shù)據(jù)，可驗(yàn)證與修改統(tǒng)計綜合法得到的模型，這實(shí)際上就是在統(tǒng)計綜合法中用到了總體測辨法；而總體測辨法不可能在所有的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)都安裝記錄裝置，必須采用統(tǒng)計綜合法將在某些點(diǎn)建立的模型推廣到其他負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。9本項(xiàng)目方案選擇考慮的因素山東電網(wǎng)負(fù)荷構(gòu)成復(fù)雜，地區(qū)差異大，非線性和時變性負(fù)荷多；大量人力開展負(fù)荷調(diào)研不現(xiàn)實(shí)；省局在該項(xiàng)目上的投資包括了測試裝置的費(fèi)用；綜合以上因素及有關(guān)兩種建模方法的對比，該項(xiàng)目宜采用基于測試裝置的總體測辨法進(jìn)行建模

10山東總體測辨法負(fù)荷建模的實(shí)施通過調(diào)查山東省的負(fù)荷組成，一期工程選擇6個變電站的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，裝設(shè)負(fù)荷動特性記錄裝置，以觀察負(fù)荷特性。在山東電力調(diào)度中心構(gòu)建實(shí)用化的負(fù)荷實(shí)測建模平臺。在負(fù)荷動特性記錄裝置運(yùn)行后，分析現(xiàn)場獲取的實(shí)測數(shù)據(jù)，建立符合實(shí)際的負(fù)荷模型。與中國電力科學(xué)院綜合程序（PSASP程序）的負(fù)荷模型子程序庫接口。將實(shí)測的負(fù)荷模型用于山東電網(wǎng)的穩(wěn)定仿真計算中，分析模型及計算結(jié)果的合理性。11負(fù)荷特性記錄裝置的構(gòu)成硬件組成：負(fù)荷特性記錄儀由彩色顯示器、工控機(jī)、鍵盤，鼠標(biāo)，GPS，各種信號調(diào)理插件等部分組成，裝置以組屏方式安裝；軟件組成：軟件主要有數(shù)據(jù)采集，高頻濾波、傅立葉變換，功率、頻率計算、啟動判據(jù)、數(shù)據(jù)波形回放，文件上傳等模塊組成。12負(fù)荷特性記錄裝置的性能采集32路電壓、電流模擬量，實(shí)時計算系統(tǒng)頻率反應(yīng)于電壓突變和電壓越限量高效的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳組網(wǎng)能力接受GPS衛(wèi)星同步時鐘信號提供以太網(wǎng)接口和標(biāo)準(zhǔn)Modem接口采樣精度：14位A/D轉(zhuǎn)換采樣率：1200點(diǎn)/秒CT、PT精度0.2級，模擬量綜合精度為0.5級13負(fù)荷模型測辨方法負(fù)荷建模過程的兩個環(huán)節(jié)確定結(jié)構(gòu)：采用機(jī)理或非機(jī)理的數(shù)學(xué)關(guān)系描述相關(guān)量之間的代數(shù)或微分關(guān)系；辨識參數(shù)：在模型結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，利用辨識算法確定相關(guān)參數(shù)，使模型響應(yīng)與測試數(shù)據(jù)盡可能一致。14模型結(jié)構(gòu)的確定機(jī)理模型：采用慣用的結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)描述，具有清晰的物理意義，易于為電網(wǎng)分析計算工程技術(shù)人員所理解、方式計算程序所接收。模型具有較好的穩(wěn)定性和外推能力。但這種模型的參數(shù)較多，辨識工作量大，計算較費(fèi)時間。當(dāng)負(fù)荷成分復(fù)雜時用單一的電動機(jī)來模擬，模型很難逼真，反映在模型精度低，參數(shù)收斂困難。非機(jī)理模型：采用傳遞函數(shù)、差分方程、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等形式。具有參數(shù)較少，辨識工作量小。對于典型測試數(shù)據(jù)，模型逼真度高。模型外推能力差，物理意義不清晰，與常用計算程序接口困難。15由靜特性和感應(yīng)電動機(jī)組合而成的負(fù)荷模型

16感應(yīng)電動機(jī)模型結(jié)構(gòu)的確定電磁暫態(tài)模型：五階模型；機(jī)電暫態(tài)模型：三階模型；機(jī)械暫態(tài)模型：一階模型。本項(xiàng)目選擇：機(jī)電暫態(tài)模型！17感應(yīng)電動機(jī)模型的機(jī)電暫態(tài)模型電壓方程電勢方程功率方程轉(zhuǎn)矩方程18靜態(tài)模型的形式不考慮頻率變化，負(fù)荷的靜態(tài)ZIP模型可表示為：19辨識模型的形成將狀態(tài)變量和輸出量都轉(zhuǎn)換為電流量；將狀態(tài)方程進(jìn)行線性化處理；將狀態(tài)量用觀測量置換。20辨識的定義辨識：就是從含有噪聲的輸入輸出數(shù)據(jù)中提取研究對象的模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。參數(shù)辨識：是在所研究對象的模型結(jié)構(gòu)已知情況下,用試驗(yàn)方法來確定對動態(tài)特性有影響的各個參數(shù)數(shù)值21辨識目的辨識方法研究工業(yè)試驗(yàn)方案設(shè)計現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理校核論證配套設(shè)備研究模型參數(shù)確定YN辨識過程的一般步驟22辨識模型方法工業(yè)試驗(yàn)方案研制設(shè)備或測試系統(tǒng)模型和參數(shù)類型發(fā)電機(jī)最小二乘法、拋載法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法時域小擾動最小二乘法、靜測法、拋載法發(fā)電機(jī)安全監(jiān)測兼無刷勵磁檢測系統(tǒng)，電力系統(tǒng)參數(shù)綜合測試裝置11個電機(jī)參數(shù)或9個電機(jī)參數(shù)勵磁系統(tǒng)FFT-LSE、分段線性多項(xiàng)式函數(shù)法PLPF、GE、ANN等時域小擾動最小二乘法、頻域偽隨機(jī)信號擾動法多功能在線測試、建模及仿真系統(tǒng)，電力系統(tǒng)參數(shù)綜合測試裝置自并激、交流三機(jī)系統(tǒng)、無刷勵磁實(shí)際模型等原動機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)

LSE,直接最小二乘積分法DILS、PLPF等甩負(fù)荷試驗(yàn)、同步器擾動多功能在線測試、建模及仿真系統(tǒng)機(jī)械液壓、電液調(diào)節(jié)、機(jī)械離心式模型等負(fù)荷LSE、輔助變量法IV、最小絕對殘差法MSAR、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳基因法現(xiàn)場人工擾動測試法、隨機(jī)擾動測試法電力系統(tǒng)參數(shù)綜合測試裝置，多功能負(fù)荷動態(tài)特性檢測裝置靜態(tài)：多項(xiàng)式、冪函數(shù)模型動態(tài)：3階機(jī)理型模型、3階傳遞函數(shù)模型、2階非線性模型四大參數(shù)辨識主要方法和模型一覽表23負(fù)荷模型參數(shù)辨識方法線性：最小二乘法，卡爾曼濾波，輔助變量法，分段線性多項(xiàng)式等非線性——優(yōu)化搜索：尋找最優(yōu)解使得誤差目標(biāo)函數(shù)最小梯度類：對于連續(xù)、光滑、單峰問題性能好；局部性、魯棒性差，難處理干擾和噪聲隨機(jī)類：收斂性、全局性、魯棒性好，效率低模擬進(jìn)化類：適用范圍廣，找到全局最優(yōu)解可能性大，效率高進(jìn)化規(guī)劃法（EP）遺傳算法（GA）進(jìn)化策略（ES）模擬退火（SA）24負(fù)荷模型辨識方法一覽表

25遺傳算法過程26負(fù)荷模型參數(shù)辨識流程27負(fù)荷建模軟件的體系結(jié)構(gòu)負(fù)荷實(shí)測建模的平臺由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置部分和后臺的負(fù)荷建模與分析中心兩部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。負(fù)荷建模與分析中心是負(fù)荷實(shí)測建模的核心部分。通訊服務(wù)器通過電話撥號網(wǎng)絡(luò)或者電力專線網(wǎng)絡(luò)收集到有關(guān)變電站的負(fù)荷特性信息。數(shù)據(jù)庫